01 - Überblick HV-Technik

1834 baute der Amerikaner Thomas Davenport das erste elektrisch betriebene Fahrzeug. Die Kutsche wurde von einem Elektromotor angetrieben, der von einer nicht aufladbaren Batterie gespeist wurde und nur einen Aktionsradius von 15-30 km hatte.

1888 baute A. Flocken das erste Elektroautomobil in der Coburger Maschinenfabrik. Es war vierrädrig im Gegensatz zu den Fahrzeugen von Trouvè und Ayroten & Perry, die 1881 und 1882 dreirädrige Fahrzeuge bauten. [Bild 1]

1900 kam der Lohner-Porsche mit Radnabenmotoren auf den Markt. Zu der Zeit produzierten in den USA ca.75 Fabriken insgesamt 4192 Automobile, davon 1688 Dampfmobile, 929 Benzinmobile und 1575 Elektromobile. Von da an wurden die Elektrofahrzeuge nach und nach von den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor verdrängt. [Bild 2]

Erst 1990, angeregt durch die kalifornische Gesetzgebung zum Schadstoffausstoß der Autos, gab es wieder Neuentwicklungen.

2012 lieferte Tesla das erste Model S an Kunden aus und setze mit den bis dato ungekannten Reichweiten von bis zu 610 km (nach WLTP) einen neuen Maßstab in der Elektromobilität.

Nach und nach lieferten auch europäische Hersteller E-Fahrzeuge mit gesteigerten Reichweiten aus. Z.B. lieferte 2019 Porsche den Taycan Turbo S [Bild 3] mit 419 km (WLTP) und Audi den E-Tron (55 quattro) [Bild 4] mit 417 km (WLTP) aus.

Der einfache Aufbau, das geringe Leistungsgewicht, der Drehmomentverlauf, der hohe Wirkungsgrad und der geringe Verschleiß machen die Elektromaschine für den Einsatz im KFZ interessant.

Grundsätzlich werden zwei Elektromobilitätskonzepte unterschieden.

Die Kombination von Verbrennungsmaschine und Elektromaschine als Antrieb in sog. Hybridfahrzeugen (BHEV), welche sich stetig wachsender Beliebtheit erfreuen und den batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV), welche sich derzeit jedoch nur schwer verkaufen. Eine der häufig angeführten Begründungen hierfür ist die geringe Reichweite von batterieelektrischen Fahrzeugen.

Ein Hybrid [Bild 1] ist ein Fahrzeug, das bivalent mit zwei Antrieben fahren kann. Nach einer Definition der UNO ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, in dem mindestens zwei Energieumwandler und zwei Energiespeichersysteme verbaut sind, welche das Fahrzeug antreiben. Dabei werden hauptsächlich Synchronmaschinen [Bild 2] verwendet, aber auch Asynchronmaschinen sind in HV-Fahrzeugen anzutreffen. Wohingegen ein batterieelektrisches Fahrzeug überwiegend durch Synchronmaschinen, rein elektrisch angetrieben wird. Die erforderliche Energie liefert hierbei eine mitgeführte Hochvolt-Batterie [Bild 3].

Der Micro-Hybrid wird hier nur der Vollständigkeit halber aufgeführt, denn er ist hochvolttechnisch eine Mogelpackung, da er das Fahren mit Elektroantrieb nicht ermöglicht.

Intelligente Generatorregelung:

Im konventionellen 12V-Bordnetz arbeitet ein leistungsstärkerer, geregelter Generator mit einer zyklenfesten Batterie (AGM-Batterie) zusammen. Im Schiebebetrieb wird der 12 Volt Generator maximal belastet, wodurch er die Bewegungsenergie des Fahrzeugs in die Batterie rekuperiert. Bei Fahrzeugstillstand schaltet sich der Verbrennungsmotor automatisch ab und springt mit der Start-Stopp-Automatik wieder an.

Start-Stopp im Automatikgetriebe

Die Funktion „Start-Stopp“ dient der Reduzierung der CO₂-Emissionen. Um diese noch effizienter zu gestalten, wurde 2016 die Start-Stopp Automatik mit den Navigationsdaten vernetzt.

Die Start-Stopp Automatik der Generation 2.3 [BMW] wird bei Automatikgetrieben unter folgenden Bedingungen aktiv:

• Fahrgeschwindigkeit 0 – 3 km/h
• Wählhebelposition in „D“
• Bremspedal betätigt

Einige typische sog. Abschaltverhinderer sind beispielsweise:

• Unzureichend geladene Starterbatterie
• Batterietemperatur < 3°C
• Außentemperatur > 35°C

Achtung!

Der Motor kann automatisch starten, obwohl dies vom Fahrer nicht initiiert wird. Sinkt der Batterieladezustand unter einen bestimmten Schwellenwert, startet der Motor ohne Aktion des Fahrers!

Ein bewusst herbeigeführter Motorstart erfolgt, wenn der Fahrer das Bremspedal kurzzeitig stärker betätigt und anschließend wieder etwas löst.

Um die deutlich gestiegene Anzahl an Motorstarts zu gewährleisten [ca. 8fache Steigerung], wurden die Bauteile des Starters an die höheren Anforderungen angepasst. Ebenso ist mit der Generation 2.3 der „Reflexstart“ ermöglicht worden. Das bedeutet, dass der Fahrer unmittelbar nach dem Auslösen der Start-Stopp Funktion weiterfahren möchte und somit der Starter in einen noch drehenden Zahnkranz einspuren muss.

Nachdem das Fahrzeug bei abgeschaltetem Motor an der Ampel steht, ist auch das Automatikgetriebe drucklos, da die Ölpumpe des Getriebes nicht angetrieben wird. Dadurch ließe sich kein Gang einlegen. Um dies zu ermöglichen, kommt ein „hydraulischer Impulsspeicher“ zum Einsatz. [Bild 1, Bauteil 2] Dieser dient als Druckspeicher bei Fahrzeugstillstand und abgestelltem Motor.

Funktion des hydraulischen Impulsspeichers

Im Fahrbetrieb wird der Speicher mit Systemdruck beaufschlagt, wodurch der Kolben [Bild 2, Bauteil 4] entgegen einer Federkraft zurückgedrückt wird. Durch Magnetismus in der elektromagnetischen Verriegelungseinheit [Bild 2, Bauteil 1] wird der Kolben in seiner Position festgehalten. Der Impulsspeicher ist nun bereit für einen Motorstart.

Wird der Motor nun gestartet, schaltet die elektromagnetische Verriegelungseinheit ab, wodurch der Kolben von der Feder [Bild 2, Bauteil 2] in seine Ausgangsposition zurückgedrückt wird. Hierdurch entsteht der erforderliche Druck, um die Schaltelemente des Anfahrgangs zu betätigen.

Der Startergenerator oder die E-Maschine ersetzt hier sowohl den Startermotor als auch den Generator. Herstellerspezifischen kann jedoch weiterhin ein zusätzlicher, herkömmlicher Starter verbaut sein, da das Starten über die E-Maschine unter gewissen Umwelteinflüssen nicht komfortabel bzw. energetisch sinnvoll umgesetzt werden kann. Der erste Motorstart des Tages erfolgt durch den Ritzelstarter. Ist die Motortemperatur größer 60 °C erfolgt der Start des Verbrennungsmotors in der Regel durch den Startergenerator.

Die E-Maschine sitzt zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe. Sie kann auch kurzzeitig als Elektromotor betrieben werden um das Fahrzeug im Boost-Modus beim Beschleunigen und beim Anfahren zu unterstützen.

Durch die Verwendung der E-Maschine als Riemen-Starter-Generator wurde die Komplexität der Konstruktion reduziert.

Das 48-Volt-Bordnetz bringt den Mild-Hybrid sogar aus der Hochvoltproblematik.

Neuere Mild-Hybride können auch kurze Strecken rein elektrisch fahren. Die Grenzen zum Vollhybrid sind in dem niedrigeren Spannungsniveau (48V-150V) und der Batteriekapazität von < 1 kWh zu sehen.

Das 48-Volt-Bordnetz ordnet sich bei den Mild-Hybriden ein, da ein elektrisch angetriebener Riemen-Starter-Generator [Bild 2] den Verbrennungsmotor unterstützen kann. Der Einsatz des Startergenerators trägt maßgeblich zur Reduktion von Kraftstoffverbrauch und daraus resultierendem CO₂-Ausstoß bei.

Beispielsweise kann der Verbrennungsmotor vom Antriebsstrang komplett getrennt werden, sowie vom Startergenerator in ungünstigen Betriebszuständen unterstützt werden. Auf einige Vorteile des Systems soll nun kurz eingegangen werden.

Reduktion von CO₂–Emissionen

Bremsenenergie geht nicht verloren, sondern wird elektrisch rekuperiert. Der Verbrennungsmotor wird im Fahrbetrieb unterstützt und in effizienteren Betriebspunkten betrieben. Dadurch ergeben sich Verbrauchsreduktionen im Kundenbetrieb um ca. 0,3 l/100km.

Verbesserung der Motor-Start-Stopp-Automatik (MSA)

Durch den leistungsstarken 48-Volt-Startergenerator ergibt sich eine spürbare Startzeitverbesserung von ca. 20% und Komfortverbesserung bei Akustik und Schwingungen während des Startvorgangs. Die Startvorgänge sind kaum mehr wahrnehmbar. Der erste Motorstart des Tages erfolgt durch den Ritzelstarter. Ist die Motortemperatur größer 60 °C erfolgt der Start des Verbrennungsmotors in der Regel durch den Startergenerator.

Motor-Aus Segeln

Beim sogenannten „Segeln” läuft der Verbrennungsmotor im Normalfall in Mild-Hybrid-Fahrzeugen nicht mehr im Leerlauf weiter, sondern wird komplett abgestellt und der Antriebstrang entkoppelt, um die kinetische Energie des Fahrzeugs zur Fortbewegung zu nutzen. Gegenüber der Funktion Leerlauf-Segeln kann der Verbrauchsvorteil durch Abschalten des Verbrennungsmotors weiter gesteigert werden. Der Wiederstart gelingt Dank des leistungsstarken 48-Volt-Startergenerator nahezu verzugsfrei.

Dynamikvorteil durch eBoost-Funktion

Im Teilastbetrieb unterstützt der Startergenerator als Elektromaschine den Verbrennungsmotor. Durch seine verzugsfreie Leistungsabgabe verbessert die Elektromaschine den Beschleunigungsaufbau, also die Spontanität des Antriebs. Bei Volllastanforderung kann die Elektromaschine in bestimmten Betriebsbereichen kurzzeitig die Gesamtleistung des Antriebs um 8 kW erhöhen.

Funktion des Riemen-Starter-Generators

Wie bereits angeführt, startet der Motor morgens einmalig mit dem herkömmlichen Ritzelstarter. Sobald der Motor läuft, lädt der Starter-Generator die 48-Volt Batterie, welche als Lithium-Ionen Batterie ausgeführt wird, auf. Um den Riemen stets auf Spannung zu halten, ist eigens hierfür ein Pendelriemenspanner verbaut worden, welcher seine Anlageseite von Zug- auf Druckseite wechseln kann.

Ein DC/DC Wandler [Bild 3] reduziert die 48 Volt auf 12 Volt Spannung, um das herkömmliche Bordnetz daraus zu speisen. Aber auch umgekehrt kann der DC/DC Wandler arbeiten. Beispielsweise wird das Fahrzeug über ein Werkstattladegerät geladen, so erfolgt dies über den 12 Volt Anschluss des Fahrzeuges. Der DC/DC Wandler transformiert sodann die 12 Volt Spannung auf 48 Volt.

Im Motor-Betrieb wandelt der Startergenerator elektrische Leistung aus dem 48-Volt Bordnetz in mechanische Leistung um und gibt diese an den Riementrieb ab, wodurch der Verbrennungsmotor unterstützt wird.

Die Hybrid-Fahrzeuge mit seriellem Hybrid-Antriebskonzept haben zwei Elektromaschinen und einen Verbrennungsmotor. Das Besondere dabei ist, dass der Verbrennungsmotor nicht die Räder antreibt. Stattdessen treibt er einen Generator an, der die Energie für den elektrischen Fahrantrieb und die Hochvolt-Batterieeinheit liefert. Die Räder werden von der zweiten Elektromaschine angetrieben, die wiederum ihre elektrische Energie aus der Hochvolt-Batterieeinheit bezieht.

Somit kann das Fahrzeug nur bis zur Entnahmeschlussspannung der Hochvoltbatterie rein elektrisch fahren.

Die Philosophie ist ein rein elektrischer Antrieb, welcher durch einen Verbrennungsmotor ergänzt wird, sollte die Batteriespannung nicht ausreichen. Die Hochvoltbatterie wird von diesem nur so weit aufgeladen, wie notwendig. Dabei wird der Verbrennungsmotor in einem optimalen Last/- Drehzahlbereich betrieben. Dadurch wird die Effizienz in Hinblick auf Schadstoffausstoß, Verschleiß und Kraftstoffverbrauch sehr hoch gehalten.

Rekuperation beim Bremsen, Start-Stopp des Verbrennungsmotors und elektrisches Anfahren sind beim seriellen Hybrid Standard.

Bildquelle: bmw wbt [bmw.csod.tmsi]

Beim parallelen Hybrid wirken der Verbrennungsmotor und die E-Maschine auf ein Getriebe und werden je nach Bedarf eingesetzt. Kennzeichen des parallelen Hybrid sind:

• Das Fahrzeug verfügt über einen Verbrennungsmotor und Elektromotor.
• Der Verbrennungsmotor kann Antriebsleistung generieren
• Der Elektromotor kann Antriebsleistung generieren.
• Beide Motoren können gemeinsam Antriebsleistung generieren.
• Das passive Antriebsaggregat wird vom Antriebsstrang entkoppelt.

Die permanenterregte Synchronmaschine sitzt in der Regel im Automatikgetriebe. Sie wird anstelle des bekannten hydrodynamischen Drehmomentwandlers eingesetzt. Sie kann das Fahrzeug mit Hilfe der Energie aus dem HV-Speicher rein elektrisch bis zu einer Geschwindigkeit von 120 km/h antreiben.

Des Weiteren kann die E-Maschine als Unterstützung des Verbrennungsmotors (Boosten) oder zur aktiven Momentenunterstützung beim Gangwechsel genutzt werden.

Lässt der Fahrer das Fahrzeug ausrollen oder bremst das Fahrzeug ab, wandelt die Elektromaschine die Bewegungsenergie in elektrische Energie um, wodurch der HV-Speicher wieder geladen werden kann. (Rekuperation)

Aufbau des Getriebes im parallelen Hybrid

Das Getriebe besteht im Wesentlichen aus folgenden Bauteilen:

• Zweimassenschwungrad
• Torsionsdämpfer
• Trennkupplung
• Elektromaschine
• Verstärkte Lamellenkupplung B
• Elektrische Getriebeölpumpe

Der Einsatz eines Zweimassenschwungrades [Bild 1; Bauteil 1] wird nötig, da die verwendeten Verbrennungsmotoren starke Drehschwingungen erzeugen, welche vom Fahrer als sehr unangenehmes Dröhnen aus dem Getriebe wahrzunehmen wäre.

Die verstärkte Lamellenkupplung B ist notwendig, da sie neben ihrer Funktion als Schaltelement auch das Anfahren und Kriechen des Fahrzeugs ermöglichen muss. [Bild 1; Bauteil 13]

Die Trennkupplung, welche zwischen dem Torsiondämpfer und der E-Maschine verbaut ist, trennt bspw. bei rein elektrischer Fahrt sowie beim Segeln, den Verbrennungsmotor von der Elektromaschine und dem Antriebsstrang. Wird die Trennkupplung wieder geschlossen, drehen alle Beteiligten mit gleicher Drehzahl.

Weitere technische Daten:

• Maximale Leistung E-Maschine: 65 kW (höchsten 10 Sekunden)
• Dauerhafte Leistung: 45 kW ab 5000 1/min
• Max. Drehmoment: 250 Nm
• Wirkungsgrad: 96 % (0 – 7200 1/min)

Bildquelle: bmw.aos [FUB-FUB-FB-240004-A14 - V.2]

Der Begriff „leistungsverzweigter Vollhybrid“ erklärt sich durch sein Konzept. Er verbindet die Leistung des Verbrennungsmotors mit der Leistung von zwei Elektromaschinen.

Dadurch verbindet der leistungsverzweigte Vollhybrid die Vorteile des seriellen und parallelen Hybriden. Jedoch ist er deutlich aufwändiger konstruiert und benötigt einen Planetenradsatz als Überlagerungsgetriebe.

Funktionsweise „Fahren“

Im reinen Elektrobetrieb treibt der Elektromotor das Fahrzeug an. Für höhere rein elektrisch gefahrene Geschwindigkeiten wird die Leistung des zweiten Elektromotors über das Planetengetriebe zusätzlich an die Antriebsräder weitergeleitet.

Nachdem der Verbrennungsmotor vom zweiten Elektromotor gestartet wurde, arbeitet diese als Generator und liefert die Energie für ersten Elektromotor, welcher die Räder über das Getriebe antreibt.

Funktionsweise „Laden der HV-Batterie“

Bei unzureichend geladenem HV-Speicher wird der Verbrennungsmotor mit dem Starter/Generator verbunden, welcher wiederum den HV-Speicher auflädt.

Beim Verzögern können beide E-Maschinen genutzt werden, um die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umzuwandeln und den HV-Speicher aufzuladen.

Eine weitere Bauform des Parallelhybrid, der Axle-Split-Hybrid, hat eine Achse, die von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird und die andere Achse wird von einem separaten Motor-Generator angetrieben.

Der Vorteil dieser Bauform ist die Verteilung der Antriebskräfte von der E-Maschine und Verbrennungskraftmaschine auf verschiedene Achsen. Die Addition der Kräfte erfolgt über die Straße. Dadurch begründet sich auch die weitere Bezeichnung des Axle-Split-Hybriden „Straßengebundener Allradantrieb“ sowie „Achsparalleler Hybrid“.

Durch eine intelligente Regelung kann die Fahrdynamik davon profitieren. Auch bietet dieses System in Mittelklassemodellen eine kostengünstige Möglichkeit der Elektrifizierung des Antriebsstrangs.

Der BMW i8 verwendet dieses System.

Bildquelle: bmw wbt [bmw.csod.tmsi]

Eine Erweiterung der Hybrid-Systeme stellt der Plug-in-Hybrid dar. [Engl. Plug in = Stecker, einstecken]. Plug-In Hybride erhalten die Abkürzung „PHEV“, welche für Plug-In Hybrid Electric Vehicle“ steht.

Wie in vorangegangenen Kapiteln erörtert wurde, bieten herkömmliche Hybridfahrzeuge die Möglichkeit, die HV-Batterie mittels Rekuperation zu laden. Hierbei dient die E-Maschine als HV-Generator und Verzögerungseinrichtung zu gleich.

Die daraus gewonnene Energie wird in der HV-Batterie gespeichert und kann sodann zum Antrieb der E-Maschine genutzt werden.

Auf ein durchschnittliches Fahrmuster in Deutschland bezogen, reicht die rekuperierte Energie jedoch nicht aus, um den Hochvoltspeicher für eine lange Fahrstrecke zu laden.

Aus diesem Grund wurden bei Plug-In Hybriden die elektrischen Energiespeicher vergrößert und um eine externe Lademöglichkeit ergänzt. [Bild 1]

Siehe hierzu Querverweis aus Kapitel 03 > Lademöglichkeiten

Mit geladenem Energiespeicher erreichen Plug-In-Hybride rein elektrisch gefahrene Reichweiten von 30km bis 50km. Die in Deutschland durchschnittlich gefahrene Strecke eines Fahrzeugs kann dadurch grundsätzlich CO₂ neutral bewältigt werden.

Bildquelle: bmw wbt [bmw.csod.tmsi]

Der Hybridantrieb mit Elektromotor und Verbrennungsmotor kann nur eine Zwischenlösung auf dem Weg in die Elektromobilität sein. Als Nachteil muss das Mehrgewicht gelten, das durch zwei Antriebskonzepte in einem Fahrzeug verursacht wird. Das jeweils abgeschaltete System erzeugt Reibungs- und Schleppverluste und führt dadurch zu einem erhöhten Verbrauch. Leichte, kleine und monovalente Fahrzeuge erfüllen die Aufgaben des Hybridfahrzeugs oft effizienter.

Durch die stetige Weiterentwicklung der eingesetzten Hochvolt-Batterien sowie der Fahrzeugkonzepte selbst werden die möglichen Reichweiten von rein batterieelektrischen Fahrzeugen weiter wachsen. Bedenkt man zusätzlich, dass sich ein Großteil aller Fahrten mit privaten PKW auf weniger als 100 km erstrecken, so ist das E-Fahrzeug auch heute bereits eine ernste Alternative zu Verbrennungsmotoren. Außer Acht gelassen wird hierbei der Aspekt des Umweltschutzes in Bezug auf Herstellung von BEV um existierende Verbrenner-Fahrzeuge zu ersetzen.

Neben dem rein elektrischen Betrieb über gespeicherten Strom etablieren sich stetig weitere Antriebskonzepte, wie z.B. der Brennstoffzelle, welche letztlich ebenso auf einen Hochvoltspeicher zurückgreift.

Bildquelle: Mariordo (Mario Roberto Durán Ortiz), CC BY-SA 4.0 , via Wikimedia Commons

Unter einem Elektrofahrzeug versteht man ein Fahrzeug, das rein elektrisch angetrieben wird – der Verbrennungsmotor fehlt also komplett. Hierfür ist eine Hochspannungsbatterie notwendig, um die fließenden Ströme bei den abgenommenen Leistungen in verträglichem Rahmen zu halten. Geladen wird die HV-Batterie über die Steckdose.

Die Reichweite der Elektrofahrzeuge ist im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wesentlich kleiner. Allerdings kann auch bei Elektrofahrzeugen die Reichweite durch rekuperatives Bremsen erweitert werden.

Alle Hochvoltfahrzeuge, die zurzeit serienmäßig hergestellt oder entwickelt werden, verfügen über vergleichbare Komponenten.

Ihre Aufgabe ist es, die elektrische Energie aufzunehmen (Laden, Rekuperation), zu speichern und bei Bedarf abzugeben. Sie muss große Ströme in kurzer Zeit auf- und auch wieder abgeben können. Im Sinne einer hohen Reichweite ist eine hohe Speicherfähigkeit der Batterie bei kleinem Bauraum und geringer Masse gefordert. Ferner ist eine hohe Langlebigkeit und Crashsicherheit der Batterie zu verwirklichen. Bei den derzeitigen Hochvoltfahrzeugen kommen fast ausschließlich Li-Ionen Akkus zum Einsatz.

Der Aufbau aktueller Batterien soll nun anhand des Beispiels „BMW iX, xDrive 50“ näher betrachtet werden.

Diese Hochvoltbatterie besteht aus sechs Zellmodulen, welche insgesamt 500 einzelne Batteriezellen enthalten. Die Zellmodule werden teilweise in Reihe und teilweise parallel geschaltet.

Daraus ergibt sich eine Nennspannung von bis zu 430 Volt, und einer Nennkapazität von 285 Ah sowie eine daraus resultierende nutzbare Energiemenge von 106 kWh.

Da die Batterie stets am Unterboden des Fahrzeugs verbaut wird, muss diese auch gut gegen äußere Einflüsse wie Fremdkörper, Feuchtigkeit und Streusalz geschützt werden. Auch aus diesen Gründen ist die HV-Batterie 649 kg schwer.

Um die Batterie in einem möglichst optimalen Temperaturbereich zu halten, wird diese stets von Kühlwasser gekühlt, bzw. über die Klimaanlage eigens abgekühlt.

In den bisherigen Hochvoltfahrzeugen werden Drehfeld-Maschinen eingesetzt. Diese können sowohl als Motor als auch als Generator genutzt werden. Man spricht daher von „Motorgeneratoren“ (MG).

Drehfeld-Maschinen haben gegenüber Verbrennungsmotoren den Vorteil, dass sie bereits bei sehr geringer Drehzahl ihr maximales Drehmoment erreichen, was sich gerade beim Anfahren sehr positiv auswirkt.

In der Leistungselektronik wird je nach geforderter Drehzahl und Drehmoment aus der Gleichspannung der HV-Batterie ein Drehstrom in notwendiger Stromstärke und Frequenz erzeugt. Der erzeugte Drehstrom wirkt nun auf den Elektromotor und versetzt den Rotor in eine Drehbewegung.

Die nachfolgende E-Maschine (BMW; 220LRTU) zeigt beispielhaft den Aufbau einer aktuellen E-Maschine. [Bild 1]

Grundsätzlich werden mehrere Arten von Elektromaschinen unterschieden:

• permanenterregte Synchronmotoren
• fremderregte Synchronmotoren
• Asynchronmotoren

Synchronmotoren folgen dabei dem rotierenden Drehfeld exakt, während bei Asynchronmotoren ein Schlupf zwischen Drehfelddrehzahl und Rotordrehzahl entsteht. Bei permanenterregten Motoren kann auf den Einsatz von seltenen Erden, wie z.B. Scandium, Yttrium oder Lanthan im Rotor nicht verzichtet werden.

Anstelle von permanenterregten Synchronmotoren kommen verstärkt fremderregte Synchronmotoren [Bild 2] zum Einsatz, wodurch die Stärke des Erregermagnetfelds unabhängig vom rotierenden Statormagnetfeld gestaltet werden. Das erlaubt flexiblere Regelstrategien und steigert die Effizienz des Motors auf bis 93%.

Werden die Wicklungen des Stators [Bild 2; Nr. 12] und ggf. des Rotors [Bild 2; Nr. 11] durch die Leistungselektronik bestromt, so wird darin ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld des Rotors folgt dabei dem rotierenden Magnetfeld des Stators.

Bei fremderregten Synchronmotoren erfolgt die Spannungsversorgung der Rotorwicklung über Kohleschleifbürsten, welche in einem Bürstenmodul verbaut sind [Bild 2; Nr. 5].

Die Leistungselektronik erfüllt im Hochvoltverbund des Fahrzeugs drei Aufgaben:

Als Wechselrichter wandelt sie die Gleichspannung der HV-Batterie in Wechselspannung für den Antrieb der E-Maschine um. Dabei regelt sie Drehzahl und Drehmoment des E-Antriebs.

Im Schiebebetrieb bzw. während des Rekuperierens arbeitet die Leistungselektronik als Gleichrichter, d.h. sie wandelt die Wechselspannung der E-Maschine in Gleichspannung zum Laden der HV-Batterie um.

Zur Versorgung des 12-V-Bordnetzes verändert die Leistungselektronik als Umrichter die HV-Spannung in 12 V um (DC/DC-Wandler). Dabei ist das HV-Netz vom 12-V-Bordnetz galvanisch getrennt, so dass es zu keinem Energiefluss zwischen den beiden Netzen kommen kann. Durch den DC/DC-Wandler können viele 12V-Komponenten ohne Änderungen von dem konventionellen Grundfahrzeug übernommen werden.

Aufgabe des HV-Klimakompressors ist es, das Kältemittel der Klimaanlage zu verdichten, um bei dessen Expansion den Fahrzeuginnenraum und bei Bedarf die HV-Batterie zu kühlen. Die Kühlung der Batterie geschieht dabei unabhängig vom Temperaturwunsch der Fahrzeuginsassen. Das bedeutet, dass der Klimakompressor jederzeit nach Einschalten der Zündung seine Arbeit aufnehmen kann.

Der Klimakompressor wird direkt mit der Spannung der HV-Batterie versorgt und verfügt deshalb über ein eigenes Steuergerät einschließlich Wechselrichter, um die Gleichspannung der HV-Batterie in eine Wechselspannung für den Antrieb des Kompressors zu wandeln und seine Leistung zu regeln.

Die Leistungsaufnahme eines HV-Klimakompressors im Betrieb kann zwischen 5 und 8 kW liegen.

Bildquelle: Lehrgangsunterlagen einer Herstellerschulung für Lehrkräfte, Nutzung für schulische Zwecke gestattet

Die Hochvolt-Heizung erwärmt nach dem „Tauchsieder-Prinzip“ mittels PTC-Heizwiderständen das Kühlmittel für den Wärmetauscher im Innenraum und bei Bedarf für die HV-Heizung. Die Fahrzeuge verfügen in der Regel bei einem Ausgleichsbehälter über mehrere Kühlkreisläufe, einer davon speziell für die HV-Batterie.

Die Leistungsaufnahme einer HV-Heizung im Betrieb kann zwischen 5 und 8 kW liegen und wirkt sich dementsprechend negativ auf die Reichweite des Fahrzeugs aus.

Bildquelle: Lehrgangsunterlagen einer Herstellerschulung für Lehrkräfte, Nutzung für schulische Zwecke gestattet